JP2017092460A - 紫外線発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】より光効率が向上した紫外線発光素子を提供する。
【解決手段】電圧の印加によって電子ビームを生成する電子ビーム生成部と、前記電子ビーム生成部と真空の離隔空間を介して対向し、前記電子ビームの衝突にて生成される電子−正孔対の再結合によって紫外線を生成する紫外線生成部と、を含むことを特徴とする、紫外線発光素子。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外線発光素子に関する。
発光ダイオードは、伝導帯で励起された電子と、価電子帯で励起された正孔との再結合によって発光動作を遂行する素子である。具体的には、発光ダイオードは、発光動作の遂行のために、特有な多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造とは、障壁層と井戸層とを交互に積層した複数の薄膜の積層体構造である。したがって、発光ダイオードでは、障壁層間に形成された井戸層に電子と正孔とが生成され、再結合動作を通して発光動作が遂行されている。これを量子拘束効果という。
したがって、発光ダイオードで生成される光は、井戸層のバンドギャップによって決定される特徴を有する。すなわち、井戸層のバンドギャップが大きい場合、生成される光の波長は短くなり、井戸層のバンドギャップが小さい場合、生成される光の波長は長くなる。また、井戸層の電子は、ｎ型半導体層から供給され、正孔は、ｐ型半導体層から供給される。したがって、多重量子井戸構造で形成された発光層には、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とが互いに対向して接合されることになる。
一方、発光ダイオードを構成する半導体層は、例えば、化合物半導体で構成される。半導体層は、発光層での井戸層より大きなバンドギャップを有する。これは、発光層で生成された光が半導体層で吸収されるのを防止するためである。ここで、生成される光の波長が短くなるほど、ｐ型半導体層の形成が重要となる。すなわち、ＭＯＣＶＤ工程等を通して、ドーパントを含むｐ型半導体層を形成した場合、ｐ型半導体層中の正孔の濃度が充分でなければ、内部量子効率が低下してしまう可能性がある。このような内部量子効率の低下は、紫外線帯域の光を生成する発光ダイオードで特に問題となっている。
例えば、ｐ型半導体層を形成するための材質としては、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ等を用いることができる。しかしながら、これらの材質では、ｐ型半導体層でドーパントの活性化を円滑に進行することが困難であるため、ｐ型半導体層の伝導度が低下し、量子効率が低下してしまう。また、ｐ型のＧａＮを用いた半導体層で光の吸収が発生してしまうことも、量子効率低下の一つの要因となってしまう。
一方で、上述した技術的困難性とは別に、紫外線発光ダイオードに対する市場の需要は着実に増加している。紫外線発光ダイオードは、既存の紫外線水銀ランプに比べて、環境的に対する親和性が高いという長所を有するため、水質浄化、空気浄化、または殺菌動作等を通して、住居環境内等での汚染物除去に用いることができる。
しかし、従来の紫外線発光ダイオードは、上述した技術的困難性のため、十分な量子効率を実現できなかった。したがって、従来の紫外線発光ダイオードは、光効率が低く、多様な市場の要求を満たすことができなかった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、より高い光効率を有する、新規かつ改良された紫外線発光素子を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電圧の印加によって電子ビームを生成する電子ビーム生成部と、前記電子ビーム生成部と真空の離隔空間を介して対向し、前記電子ビームの衝突にて生成される電子−正孔対の再結合によって紫外線を生成する紫外線生成部と、を含むことを特徴とする、紫外線発光素子が提供される。
上記構成により、本発明では、電子放出のためにカーボンナノチューブを用いることで、ｐ型半導体層が排除された紫外線生成部に、放出された電子を入射させることができる。また、入射された電子は、活性層に衝突して、電子−正孔対を形成し、形成された電子および正孔は、障壁層によって井戸層で拘束されて再結合を通して紫外線を生成することができる。したがって、本発明に係る紫外線発光素子によれば、低い伝導度、およびｐ型半導体層の形成に起因した光効率の低下が解消される。
以上説明したように本発明によれば、より高い光効率を有する紫外線発光素子を提供することが可能である。カーボンナノチューブ
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子を図示した断面図である。 図１に図示された電子ビーム生成部の望ましい一例を図示した図面である。 図１に図示された紫外線発光素子の動作を説明するための概念図である。
本発明は、多様な形態を有することができ、かつ多様な変更を加えることができるが、本明細書では、特定の実施形態を図面に例示することで、本発明を詳細に説明する。ただし、これは、本発明を上記の特定の実施形態に限定するものではなく、本発明は、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物および代替物を含むと理解されなければならない。なお、各図面において、類似する構成要素には、類似する参照符号を使用した。
また、明示的に定義されない限り、本明細書で使われる技術的または科学的な用語を含むすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が一般的に理解するものと同じ意味を有する。一般的に使われ、辞典に定義されるような用語は、関連技術における文脈上の意味と同じ意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明確に定義しない限り、過度に形式的または理想的な意味に解釈されるべきではない。
以下、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態について、より詳細に説明する。本発明は、発光素子に関するものであり、より詳細には、電界効果を利用した紫外線発光素子に関するものである。
図１は、本発明の望ましい実施形態に係る紫外線発光素子を図示した断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る紫外線発光素子は、電子ビーム生成部１００、及び紫外線生成部２００を有する。
電子ビーム生成部１００は、電界効果によって電子ビームを形成し、電子を紫外線生成部２００に放出する。紫外線生成部２００は、電子ビーム生成部１００から放出された電子の衝突によって電子−正孔対を形成し、さらに形成された電子と正孔との再結合によって紫外線を生成し、放出する。
具体的には、電子ビーム生成部１００は、負極１１０と、前記負極１１０上に形成された電子ビーム放出部１２０とを備える。
負極１１０は、電子ビーム放出部１２０に電圧を印加する。例えば、負極１１０は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＩｒまたはＲｈにて形成されてもよい。
負極１１０上に形成される電子ビーム放出部１２０は、カーボンナノチューブを含む。電子ビーム放出部１２０は、カーボンナノチューブに印加される電界によって電子ビームを生成する。電子ビーム放出部１２０を構成する少なくとも一つのカーボンナノチューブの一方の端部は、負極１１０の表面と接触しており、他方の端部は、負極１１０の表面と接触しないように設けられることが望ましい。すなわち、カーボンナノチューブは、負極１１０の表面から所定の角度に立ち上がるように設けられてもよい。例えば、カーボンナノチューブの両側の末端部を結ぶ直線は、負極１１０の表面と平行にならないように配置されることが望ましい。
また、負極１１０の背面には、反射層１３０が備えられてもよい。反射層１３０は、紫外線生成部２００で形成された紫外線を反射する。例えば、反射層１３０は、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層であってもよい。また、ＤＢＲ層は、例えば、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３またはＳｉＯ２で構成されてもよい。
一方、紫外線生成部２００は、電子ビーム生成部１００と一定の距離を持って離隔して設けられる。具体的には、紫外線生成部２００は、基板２１０、バッファー層２２０、半導体層２３０、活性層２４０、及び正極２５０を備える。
基板２１０は、透明材質であればいかなる材質で形成されてもよく、例えば、サファイアにて形成されてもよい。基板２１０は、バッファー層２２０、半導体層２３０、または活性層２４０の成長が可能であり、活性層２４０で生成した紫外線の吸収が最小化できる材質ならばいずれも使用可能である。
基板２１０上に形成されるバッファー層２２０は、通常のＭＯＣＶＤ工程を用いて形成されてもよい。バッファー層２２０は、基板２１０と半導体層２３０との間の格子定数の差にともなう結晶の不整合を解決するために備えられる。バッファー層２２０は、紫外線の吸収が最小化される材質で形成されることが望ましく、例えば、バッファー層２２０は、ＡｌＮ、またはＡｌＧａＮで形成されてもよい。
バッファー層２２０上には、半導体層２３０が形成される。半導体層２３０は、特定の導電型の半導体材料で形成されてもよい。例えば、半導体層２３０は、ｎ型、またはｐ型の導電型の半導体材料で形成されてもよい。半導体層２３０が特定の導電型である場合、半導体層２３０は、正極２５０との電気的接続が遂行される際に、伝導度の確保に有利である。また、半導体層２３０は、特定の導電型で形成される以外に、真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）半導体材料で形成されてもよい。ただし、半導体層２３０は、活性層２４０で生成された紫外線の吸収が最小化されるバンドギャップを有する物質で形成されることが望ましい。例えば、半導体層２３０は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを含み、活性層２４０の成長に適合した結晶構造を持ち、紫外線の吸収が最小化できる材質で形成されることが望ましい。
例えば、半導体層２３０がＡｌＧａＮで形成される場合、半導体層２３０に含まれるＧａ元素の割合は、活性層２４０で生成される紫外線の波長により決定することができる。例えば、活性層２４０で生成される紫外線が２００ｎｍ〜２８０ｎｍの波長帯域のＵＶ−Ｃである場合、２８０ｎｍ〜３１５ｎｍの波長帯域のＵＶ−Ｂである場合に比べて、半導体層２３０のＧａの割合は、低くすることが望ましい。したがって、活性層２４０で生成される紫外線が３１５ｎｍ〜４００ｎｍの波長帯域のＵＶ−Ａである場合、半導体層２３０のＧａ割合は、活性層２４０で生成される紫外線が他の波長帯域である場合に対して、最も高いこともありうる。これは、ＡｌＧａＮ層でのＧａの割合が増加するほど、バンドギャップが小さくなることに起因する。ただし、半導体層２３０の組成は、活性層２４０で生成する紫外線を吸収しないバンドギャップを有するのであれば、いずれの組成も適用可能である。すなわち、半導体層２３０は、活性層２４０を構成する量子井戸構造における井戸層よりも、高いバンドギャップを持つことが望ましい。
半導体層２３０上には、活性層２４０が備えられる。活性層２４０は、障壁層と井戸層とが交互に積層される構造を有する。井戸層は、生成する紫外線に適合したバンドギャップを有するように組成が調節される。すなわち、活性層２４０が短波長の紫外線を生成する場合、活性層２４０のＡｌＧａＮのＧａ割合は減少する。一方、活性層２４０が相対的に長波長の紫外線を形成する場合、活性層２４０のＧａの割合は増加する。例えば、井戸層は、ＡｌＧａＮ層で形成されてもよく、障壁層は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮ層で形成されてもよい。ただし、障壁層のバンドギャップは、活性層よりも大きくすることが望ましい。
正極２５０は、バッファー層２２０または半導体層２３０上に形成されてもよい。例えば、前記活性層２４０に対するメサ加工時のエッチングを通して、バッファー層２２０、または半導体層２３０の表面一部を露出させて、該バッファー層２２０または半導体層２３０上に金属材質の正極２５０を形成してもよい。
正極２５０は、上述した以外にも、量子井戸構造を有する活性層２４０上の一部領域に形成されてもよい。
また、電子ビーム生成部１００と、紫外線生成部２００とは、所定の距離を持って離隔して配置される。電子ビーム生成部１００と紫外線生成部２００との間の空間は、真空状態であることが望ましい。
図２は、図１に図示された電子ビーム生成部の望ましい一例を図示した図面である。
図２に示すように、電子ビーム生成部１００は、負極１１０及び電子ビーム放出部１２０を含む。また、負極１１０の背面には、反射層１３０が含まれてもよい。ただし、反射層１３０は、負極１１０と電子ビーム放出部１２０との間に形成されてもよい。
負極１１０は、外部から印加される電圧によって負（−）の極性を有し、導電性の金属材質で構成されることが望ましい。
また、電子ビーム放出部１２０は、カーボンナノチューブで構成されてもよい。例えば、電子ビーム放出部１２０は、カーボンナノチューブ層１２１、電子放出素材１２２、及びパターン金属層１２３を有してもよい。
カーボンナノチューブ層１２１は、負極１１０上に備えられ、負極１１０の全体または一部の上に塗布されてもよい。また、カーボンナノチューブ層１２１上には、パターン金属層１２３が備えられ、パターン金属層１２３側面の外郭周辺領域には、負極１１０の表面から所定の角度に立ち上がる形状を持つ電子放出素材１２２が備えられる。電子放出素材１２２は、シングルウォール（単層）またはマルチウォール（多層）のカーボンナノチューブで形成され、カーボンナノチューブの長さ方向に延伸した直線は、負極１１０の平面と所定の角度で交わり、平行ではない。
すなわち、電子放出素材１２２は、カーボンナノチューブで形成され、パターン金属層１２３とカーボンナノチューブ層１２１とが接する表面のコーナーから上部に向かうように形成される。これらの構造は、例えば、以下のような方法で形成することができる。
まず、負極１１０上にカーボンナノチューブを溶媒に分散させた溶液を吹き付ける。次に、溶媒を蒸発させて、カーボンナノチューブ層を形成する。続いて、形成されたカーボンナノチューブ層上にパターン金属層１２３を形成する。これによって、カーボンナノチューブ層１２１上に、所定の規則的な配列を持つパターン金属層１２３を形成することができる。次に、隣接するパターン金属層１２３の間に形成されたカーボンナノチューブ層を除去する。カーボンナノチューブ層の一部除去は、例えば、テープなどの接着剤を利用して行ってもよい。すなわち、テープをカーボンナノチューブ層、およびパターン金属層１２３上に接着して、剥離によってパターン金属層１２３の間に形成されたカーボンナノチューブ層を除去してもよい。これにより、パターン金属層１２３の下部のコーナー部分に配置されたカーボンナノチューブは、負極表面に対して所定の角度を持つように形成される。したがって、上記の剥離動作で負極表面と略平行するように配置されたカーボンナノチューブは、負極表面と所定の角度を持つように両側末端部の一側末端部が負極表面から離隔される。以上の方法によって、パターン金属層の下部のコーナー部位には、電子放出素材１２２が形成される。
図３は、本発明の図１に図示された紫外線発光素子の動作を説明するための概念図である。
図３に示すように、まず、外部の電源によって、電子ビーム生成部１００と紫外線生成部２００との間に電圧が印加される。すなわち、電子ビーム生成部１００の負極１１０と、紫外線生成部２００の正極２５０との間に電圧が印加される。電圧の印加によって負極１１０上の電子ビーム放出部１２０では、電子ビームが形成され、電子ビームは、電子ビーム生成部１００と紫外線生成部２００との間の真空の離隔空間を通過して、紫外線生成部２００に入射する。
紫外線生成部２００に入射した電子ビームは、量子井戸構造を有する活性層２４０と衝突する。電子ビームと活性層２４０との衝突によって、活性層２４０には電子−正孔対が形成される。形成された電子−正孔対の電子は、井戸層の伝導帯で励起され、正孔は井戸層の価電子帯で励起される。伝導帯で励起された電子と、価電子帯で励起された正孔とは障壁層によって拘束され、拘束された電子と正孔が井戸層で再結合することで、発光動作が遂行される。
なお、正孔との再結合に参加しなかった過剰電子は、半導体層２３０に伝達される。
前述した本発明では、負極線発光（ｃａｔｈｏｄｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、ＣＬ）動作を利用して紫外線を発生させている。一方で、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に多重量子井戸構造を介入させる構造を有する既存の紫外線発光ダイオードでは、ｐ型半導体層が持つ技術的制約により、約２％程度の非常に低い光効率しか実現できない。これは、ｐ型半導体層では、ドーパントがアクセプタとして十分に作用できないため、ｐ型半導体層の伝導度が低いためである。
本発明では、ｐ型半導体層を介入させずに、電子ビームによって活性層で直接電子−正孔対を生成する。そのため、電子−正孔対の生成は、印加される電子ビームの密度、およびエネルギーによって決定されることになる。したがって、本発明では、高い輝度および効率を有する紫外線発光素子を実現することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１００ 電子ビーム生成部
１１０ 負極
１２０ 電子ビーム放出部
２００ 紫外線生成部
２１０ 基板
２２０ バッファー層
２３０ 半導体層
２４０ 活性層
２５０ 正極

Claims (9)

  1. 電圧の印加によって電子ビームを生成する電子ビーム生成部と、
    前記電子ビーム生成部と真空の離隔空間を介して対向し、前記電子ビームの衝突にて生成される電子−正孔対の再結合によって紫外線を生成する紫外線生成部と、
    を含むことを特徴とする、紫外線発光素子。
  2. 前記電子ビーム生成部は、
    電圧が印加される負極と、
    カーボンナノチューブを利用して電子ビームを生成し、前記負極の上に形成される電子ビーム放出部と
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載の紫外線発光素子。
  3. 前記電子ビーム放出部は、
    前記負極の上に形成されるカーボンナノチューブ層と、
    前記カーボンナノチューブ層の上に形成され、互いに所定の離隔空間を持って形成されたパターン金属層と、
    前記パターン金属層の下部のコーナーの部分にカーボンナノチューブにて形成され、前記カーボンナノチューブの末端部は前記負極の表面から所定の角度で離隔し、電子ビームを放出する電子放出素材と、
    を含むことを特徴とする、請求項２に記載の紫外線発光素子。
  4. 前記電子ビーム生成部には、前記負極を挟んで前記電子ビーム放出部と対向するように前記負極に設けられ、前記紫外線を反射する反射層がさらに含まれることを特徴とする、請求項２または３に記載の紫外線発光素子。
  5. 前記紫外線生成部は、
    基板と、
    前記基板の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成された活性層と、
    前記活性層に電圧を印加する正極と、
    を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
  6. 前記半導体層は、ＡｌＮ、またはＡｌＧａＮを含むことを特徴とする、請求項５に記載の紫外線発光素子。
  7. 前記電子ビームは、前記活性層に衝突することで、電子−正孔対を形成することを特徴とする、請求項５または６に記載の紫外線発光素子。
  8. 前記電子−正孔対は、前記活性層の障壁層によって井戸層に拘束され、再結合によって紫外線を形成することを特徴とする、請求項７に記載の紫外線発光素子。
  9. 前記正極は、前記活性層、または前記半導体層の上に形成されることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の紫外線発光素子。
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